物质的态与相(2)

(2)19世纪末到20世纪初，“相”替代“态”被广泛应用，人们提出并求解了微观视角下的相变模型。相较于气、固、液等传统的“态”，在铁磁材料的研究中，人们认识到同一种“(固)态”可以存在不同的“相”。这也使得“相”的概念极大延伸。从此，人们更多使用“相”进行物性描述[11—18]。楞次—伊辛模型2)的提出，则首次从微观相互作用层面出发，以最简单的数学模型，提供了研究相变现象的载体，其求解过程促进了对“相”的深入理解[19—30]。
(3)20世纪中期到70年代，相变理论的发展及其对“相”数学本质的揭示。杨—李相变理论创造性地将配分函数解析延拓到复空间，以“解析性”为核心，通过配分函数零点的行为，为相变提供了严谨的数学描述[30—32]。此后，重正化群理论和标度理论深化了对相变中临界行为的理解，可计算临界指数，并指出相变存在的普适类。实际上，笔者正是被杨—李相变理论深深吸引，进而关注统计力学方面的问题。
02
态与相概念的提出：从理想体系的克拉珀龙状态方程到真实体系的范德瓦耳斯模型
19世纪初热学才刚刚起步，而经典力学从1687年《自然哲学之数学原理》的出版算起，已经发展了一百多年。尽管热力学第零定律直到1939年才被正式提出，但其精神内核，即由“温度”表征热力学系统的状态，则早已被践行，代表性的华氏温标从18世纪初便已提出；而与力学更成熟的发展相称，压强的标定最早可追溯到17世纪托里拆利发明的水银气压计。在有了温度和压强的标定后，一个自然的问题便是：物性和物质的存在形式会随温度和压强变化怎样变化？先说物性，除了在17世纪已知的波意耳—马略特定律(p-V定律)，18世纪末人们又进一步得到查理定律(V-T定律)3)，而后1812年，意大利科学家阿伏伽德罗引入物质的量，并提出阿伏伽德罗定律。1834年，法国物理学家克拉珀龙在这三个定律基础上4)得到了理想气体的状态方程，即：

至此，人们掌握了理想气体的物性。但需要指出的是，理想气体始终是气体，不会发生存在形式的变化。
事实上，关于物质存在形式变化的讨论是在尝试把气体液化的过程中5)兴起的。气体和液体是天然存在的两种物态，而在当时，人们已经认识到了各种物质在化学上都是由不同分子和原子构成的，那不禁就要问为何H2O既可以是气体也可以是液体，而CO2、H2、O2等通常是气体，这些形态是否可以相互转换。这一问题最早的理解来自1822年，法国人德拉托尔把酒精密封在一个石英球枪管中加热，并发现在特定温度以上，气体与液体变得不可分辨，即所谓的超临界现象。1869年，由爱尔兰科学家安德鲁斯使用临界点一词来刻画物质凝聚的条件：在临界点以下，才会有所谓的气—液相变；在临界点以上，物质完全气化；不同物质的临界温度不同。临界点的提出正好解释了前述问题6)。